工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸正在不斷增加環(huán)境中有害氣體的含量，特別是氮氧化物（NOx）。隨著人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備、醫(yī)療保健設(shè)備和氣體泄漏檢測設(shè)備的需求日益增加，高靈敏度有害氣體傳感器的開發(fā)受到廣泛關(guān)注。

二維（2D）材料因其高表面體積比，以及通過摻雜和功能化調(diào)節(jié)電子特性的出色能力，被證明是基于半導(dǎo)體的氣體傳感器非常有前景的候選材料。然而，由于金屬電極與二維材料接觸界面存在肖特基勢壘（SB），在半導(dǎo)體通道-電極界面上的大量電流耗散通常會對半導(dǎo)體電子器件的實現(xiàn)造成很大的阻礙，這成為二維材料邏輯結(jié)（logical junction）大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自德國不來梅雅各布大學(xué)（Jacobs University Bremen）、奧爾登堡大學(xué)（Carl von Ossietzky University of Oldenburg）、亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）以及韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）的研究人員共同提出一種基于單材料錫磷化合物（SnP3）邏輯結(jié)的電子指紋NOx傳感器，克服了半導(dǎo)體通道-電極界面產(chǎn)生的高肖特基勢壘等問題。

該項工作將為設(shè)計用于高靈敏度氣體傳感器的無肖特基勢壘金屬-半導(dǎo)體結(jié)提供新的途徑。相關(guān)研究成果已發(fā)表于npj Computational Materials期刊。

該項工作中，研究人員基于SnP3可用于新型單材料邏輯結(jié)的理論思路，解決了常見的“高接觸電阻”問題及其器件應(yīng)用，并基于單材料邏輯結(jié)內(nèi)電子指紋識別機制，對NOx氣體傳感器開展了分步設(shè)計和研究。

研究人員通過一套第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算，探索了基于SnP3的單材料邏輯結(jié)對有害NOx氣體的出色傳感性能。基于三層/單層SnP3的金屬/半導(dǎo)體特性，設(shè)計了由單一材料構(gòu)成的金屬-半導(dǎo)體-金屬橫向結(jié)（313結(jié)）作為傳感平臺。由于半導(dǎo)體通道-電極界面沒有肖特基勢壘，基于電流-電壓特性，可以精確檢測到SnP3層與氣體分子之間的氣體特異性電荷轉(zhuǎn)移。

無論電流的絕對大小，或在一個相當(dāng)小的偏置電壓下以負(fù)差分電阻（NDR）作為傳感信號，該方式都能夠有效檢測到在SnP3襯底上具有強吸附強度和電荷轉(zhuǎn)移量的NOx氣體。

單層和少層SnP3的晶體結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)和傳輸特性
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SnP3襯底上氣體分子最穩(wěn)定的構(gòu)型和電荷密度差異
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313結(jié)所有氣體分子的零偏傳輸和I-V曲線

該項工作將為研究氣體傳感器以及基于二維材料的電子器件的科研人員提供新的思路。同時，有望推動無肖特基勢壘單材料邏輯結(jié)的廣泛適用性。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41524-022-00903-7

審核編輯：編輯：劉清